Chapitre 14
Atome d’hélium
L’atome d’hélium est l’exemple type des systèmes quantiques à trois corps. Nous verrons que son étude fait ressortir toute la complexité des atomes, et plus généralement
du problème à plusieurs corps qui n’admet pas de solution analytique exacte. Nous
nous en servirons, entre autres, pour introduire l’approximation d’Hartree-Fock, méthode de calcul couramment employée en chimie quantique.
L’atome d’hélium est une des cibles les plus utilisées dans les expériences de collisions, et en particulier dans les cas d’ionisation par impact électronique ou de photoïonisation ; ces processus sont parmi les plus rares à pouvoir mettre aussi clairement en relief la physique des interactions électrostatiques pures. Par ailleurs, à des
températures extrêmement basses, en dessous de 2, 17 K, l’hélium liquide devient
un « fluide quantique » dont la superfluidité est une propriété unique que seule la
mécanique quantique peut expliquer.
Environ trente pour cent de la matière cosmique créée peu après le Big Bang se
trouve sous forme d’hélium, ce qui en fait, après l’hydrogène, le deuxième élément le
plus abondant dans l’Univers. Même si sa création continue d’avoir lieu au cœur des
étoiles, sa majeure partie résulte de la nucléosynthèse primordiale. Sur la Terre, il est
produit, sous forme de particules alpha, par la désintégration d’éléments radioactifs
constitutifs de la croûte terrestre.
Dans ce chapitre, nous allons considérer deux électrons soumis au champ coulombien d’un noyau de numéro atomique Z. C’est le cas de l’atome d’hélium (Z = 2),
ainsi que de tous les ions héliumoïdes : Li
+ (Z = 3), Be
2+ (Z = 4), etc., qui ensemble définissent une séquence isoélectronique. Le premier membre de cette séquence, l’ion H − (Z = 1), a une place prépondérante en astrophysique. C’est un
système stable, en dépit de son excédent d’électrons, en raison d’une corrélation
électronique d’une importance inégalée, mettant à l’épreuve toutes les méthodes de
résolution.
Atome d’hélium
L’atome d’hélium est l’exemple type des systèmes quantiques à trois corps. Nous verrons que son étude fait ressortir toute la complexité des atomes, et plus généralement
du problème à plusieurs corps qui n’admet pas de solution analytique exacte. Nous
nous en servirons, entre autres, pour introduire l’approximation d’Hartree-Fock, méthode de calcul couramment employée en chimie quantique.
L’atome d’hélium est une des cibles les plus utilisées dans les expériences de collisions, et en particulier dans les cas d’ionisation par impact électronique ou de photoïonisation ; ces processus sont parmi les plus rares à pouvoir mettre aussi clairement en relief la physique des interactions électrostatiques pures. Par ailleurs, à des
températures extrêmement basses, en dessous de 2, 17 K, l’hélium liquide devient
un « fluide quantique » dont la superfluidité est une propriété unique que seule la
mécanique quantique peut expliquer.
Environ trente pour cent de la matière cosmique créée peu après le Big Bang se
trouve sous forme d’hélium, ce qui en fait, après l’hydrogène, le deuxième élément le
plus abondant dans l’Univers. Même si sa création continue d’avoir lieu au cœur des
étoiles, sa majeure partie résulte de la nucléosynthèse primordiale. Sur la Terre, il est
produit, sous forme de particules alpha, par la désintégration d’éléments radioactifs
constitutifs de la croûte terrestre.
Dans ce chapitre, nous allons considérer deux électrons soumis au champ coulombien d’un noyau de numéro atomique Z. C’est le cas de l’atome d’hélium (Z = 2),
ainsi que de tous les ions héliumoïdes : Li
+ (Z = 3), Be
2+ (Z = 4), etc., qui ensemble définissent une séquence isoélectronique. Le premier membre de cette séquence, l’ion H − (Z = 1), a une place prépondérante en astrophysique. C’est un
système stable, en dépit de son excédent d’électrons, en raison d’une corrélation
électronique d’une importance inégalée, mettant à l’épreuve toutes les méthodes de
résolution.